광전류 영상측정법을 이용한 염료감응 태양전지의 전하확산거리 측정

Abstract

염료감응 태양전지(DSSC; Dye-sensitized solar cell)는 낮은 제조단가와 높은 light-harvesting efficiency로 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 기존의 실리콘 기반의 태양전지에 비해 에너지 변환 효율이 낮기 때문에 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다. DSSC는 염료 분자가 흡착된 TiO2 다공성 나노입자층과 FTO 전극, Pt이 증착된 상대전극 및 전해질로 구성된다. 이 중 TiO2 다공성 나노입자층은 염료를 흡착시킬 장소를 제공해주고 전자의 이동통로로 쓰이며, 특히 다공성 나노입자층에서 FTO 전극으로 전하가 수집되는 효율(charge collection efficiency)은 소자의 효율 최적화 및 공정 개선에 핵심요소 중 하나이다. 본 연구에서는 광전류 영상측정법을 이용하여 염료감응 태양전지의 다공성 나노입자층 내의 광전특성을 측정하여 전하확산거리를 연구하였다. 부분적으로 식각된 FTO 전극을 사용하여 소자를 제작하였으며, 집속된 레이저 빔을 TiO2 다공성 나노입자층에 조사하여 국소적으로 전하를 생성시켰다. 이렇게 생성된 전하는 확산과정을 통해 식각된 FTO에 수집되어 전류 생성에 기여하게 된다. 조사되는 레이저의 위치가 FTO 경계면에서 멀어질수록 측정되는 광전류는 감소했으며, 광전류의 line profile을 피팅하여 전하확산거리를 얻었다. 고온 소성이 필요한 TiO₂paste와 저온 소성이 필요한 TiO₂paste를 이용하여 다양한 샘플군의 효율과 전하확산거리를 측정을 수행하였다. 이를 통해 전하확산거리가 증가할수록 효율도 증가함을 확인할 수 있었다. 또한 고온 소성 샘플에서 소성 온도의 변화에 따른 효율의 변화를 측정하고, 각각의 온도별 샘플의 확산거리를 측정하여 효율과 확산거리의 연관성을 재확인하였다. 다양한 작동조건에서 전하확산거리를 측정하였다. 조사되는 광량에 따른 전하확산거리의 특성과 전극 양단에 걸린 전압에 따른 특성을 확인하였다. 태양광 모사광원을 이용하여 광량의 세기를 조절(0~2sun)하여 구간별로 확산거리 측정을 수행하였으며, 이를 통해 광량이 증가할수록 서서히 확산거리가 증가함을 확인할 수 있었다. 한편, 바이어스전압에 따른 전하확산거리의 특성을 확인하기 위해서 변형된 구조의 소자를 제작하였다. 기존에는 전해질의 screening 효과와 TiO2의 높은 유전상수로 인해 전기장에 의한 drift는 무시되어왔다. 하지만 변형된 구조에서 전극 양단에 전압을 인가하여 decay length의 전압의존성을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과들은 전하확산거리가 에너지 변환 효율 증대에 중요한 요소라는 것을 보여준다. 본 연구에서는 보다 미시적, 직접적인 관점에서 염료감응 태양전지 내의 전하수송을 연구하였으며, 전하확산거리를 정확히 측정하고 증대시킴으로써 보다 높은 효율의 광전소자를 설계하는데 큰 기여를 할 것으로 기대한다.